Två fysiker från University of Luxembourg har nu entydigt visat att kvantmekaniska vågliknande interaktioner verkligen är avgörande även i omfattningen av naturliga biologiska processer.

Kvantvågliknande beteende spelar en nyckelroll i modern vetenskap och teknik, med tillämpningar av kvantmekanik som sträcker sig från lasrar och höghastighets fiberkommunikation, till kvantdatorer och fotosyntes i växter. En naturlig fråga är om kvantvågsfenomen också kan vara relevanta för strukturbildning och dynamiska processer i biologiska system i levande celler. Denna fråga har hittills inte behandlats på ett övertygande sätt på grund av bristen på effektiva kvantmetoder som är tillämpliga på system så stora som hela proteiner under fysiologiska förhållanden (d.v.s. lösta i vatten och vid rumstemperatur).

Nu skriver jag in Vetenskapliga framsteg , Professor Alexandre Tkatchenko och doktorandforskaren Martin Stöhr från Institutionen för fysik och materialvetenskap vid universitetet i Luxemburg har för första gången undersökt vikningsprocessen av proteiner i vatten med en helt kvantmekanisk behandling. Proteinveckning är den fysiska process genom vilken en kedja av aminosyror får sin naturliga biologiskt funktionella struktur på grund av interaktioner mellan aminosyror och påverkan av omgivande vatten. Ett nyckelfynd av den här studien är att interaktionen mellan proteinet och det omgivande vattnet måste beskrivas genom kvantmekaniskt vågliknande beteende, vilket också visar sig vara avgörande för dynamiken i proteinveckningsprocessen.

"Beständigheten av kvantvågliknande beteende i biomolekylära system öppnar upp ett nytt paradigm för att förklara några av de grundläggande processerna inom biologi, säger Martin Stöhr, studiens första författare. En korrekt mikroskopisk förståelse av biologiska processer är nyckeln för att specifikt rikta funktionen och dysfunktionen i celler som önskat i modern medicin, till exempel.

"Vi går vidare, vi förutser en viktig roll för kvantinteraktioner för det biomolekylära maskineriet, allt från proteinsammansättning till enzymers funktion, " förklarar prof. Alexandre Tkatchenko, motsvarande författare till studien.

Som en del av olika nationella och internationella samarbeten, resultaten av denna studie har redan motiverat ytterligare omfattande undersökningar av hur kvanteffekter kan forma en mängd olika biologiska fenomen.